第38卷第3期 光学学报 Vol.38.No.3 2018年3月 ACTA OPTICA SINICA March.2018 光子晶体微纳传感技术的理论与实验研究进展 王超，孙富君，付中原，周健，丁兆祥，田慧平 北京邮电大学信息与通信工程学院信息光子学与光通信国家重点实验室，北京100876 摘要光子品体（C)微纳传感器具有体积小，易集成、响应时间快、控光能力强，可实现无标签检测以及设计灵 活等优点，在工业生产，海洋探测、生物医疗检测及环境监测等领域展现出巨大的应用前景。针对基于一维纳》 束PC与二维平板P℃的微纳光子传感技术，从传感器结构设计和传感性能提升方面，分析了当前国内外PC微 纳传感的关键理论和实险技术进展，并通过对比分析，探讨了C微纳传感技术在未来应用中所面临的挑战及未 来发展的趋势， 关键词传感器：光子品体：微纳传感：对比分析 中图分类号0436 文献标识码A doi:10.3788/A05201838.0328003 Research Progresses on Theory and Experiments of Photonic Crystal Micronano Sensing Technology Wang Chao,Sun Fujun,Fu Zhongyuan,Zhou Jian,Ding Zhaoxiang,Tian Huiping Abstract Due to the advantages of compact size.easy integration.fast response time.strong ability for light.detecting without lity in design.the photonic crysta (PC .As for the。 the key theories and experimental tech sses of pc micronano sensing at bome and abroad are analyzed from the aspects of structural design and sensoring performance improvement of sensors.Furthermore. with comparative analysis.the challenges and future development trend of PC micronano sensing technology in further on are discusse OC2010 290 ot 1引 言 制。PC由于具有体积小，控光能力强、设计灵活等 优点，在传感领域引起了广泛关注，尤其在近几年 随着科学技术的发展，人们对传感器性能的要 其研究重点从最初的基木原理和材料开发向芯片化 求越来越高。1978年，普林斯顿大学的John等 和多功能化等方向逐渐转变。 和Bell通信研究室的Yablo 等在研究材料 PC微纳传感技术作为 一种全新的传感器基础 中周期性电介质结构对光传播行为的影响时，几乎 技术，与传统的传感技术相比，具有响应时间短、体 在同一时间分别提出了光子品体(PC)的概念，提供 积小、易集成、抗干扰能力强以及可实现无标签检则 了一种全的控光机制不同于以往利用全反射 等优势。目前，国内外主要的PC传感器根据其应 式实现对光子的引导传输，PC通过周期性排列的电 用领域可分为温度传感器、生物传感器、湿度传感 介质形成光子带隙，以实现对光子传输的引导和控 器、化学传感器、气体传感器和压力传感器等，根据 收稿日期：2017-1026：收到修改稿日期：2017-12-0 基金项目：国家自 然科学基金(61372038.61431003)水下光网络联合实验室项目 作者简介：王超(199 ),男，博士研究生，主要从事光子晶体微钠传感方面的研究。E-mail:ofcoswang(@163.com 导师简介：田慧平(1976一 ),女，博士，教授，博士生导师，主要从事光子晶体微钠传感与光纤通信方面的研究。 E-mail:hptian@bupL,edu.cn(通信联系人) 0328003-1 1994-2018 China academic lournal electronic Publishing House all rights reserved http://www cnkinet
书 第３８卷 第３期 光 学 学 报 Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．３ ２０１８年３月 ＡＣＴＡＯＰＴＩＣＡＳＩＮＩＣＡ Ｍａｒｃｈ，２０１８ 光子晶体微纳传感技术的理论与实验研究进展 王超，孙富君，付中原，周健，丁兆祥，田慧平 北京邮电大学信息与通信工程学院信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 １００８７６ 摘要 光子晶体（ＰＣ）微纳传感器具有体积小、易集成、响 应 时 间 快、控 光 能 力 强、可实现无标签检测以及设计灵 活等优点，在工业生产、海洋探测、生物医疗检测及环境监测等领域展现出巨大的应用前景。针对基于一维纳米 束 ＰＣ与二维平板 ＰＣ的微纳光子传感技术，从传感器结构设计和传感性能提升方面，分析了当前国内外 ＰＣ微 纳传感的关键理论和实验技术进展，并通过对比分析，探讨了 ＰＣ微纳传感技术在未来应用中所面临的挑战及未 来发展的趋势。 关键词 传感器；光子晶体；微纳传感；对比分析 中图分类号 Ｏ４３６ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１８３８．０３２８００３ ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｅｓｏｎＴｈｅｏｒｙａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆＰｈｏｔｏｎｉｃ ＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｎａｎｏＳｅｎｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＷａｎｇＣｈａｏ，ＳｕｎＦｕｊｕｎ，ＦｕＺｈｏｎｇｙｕａｎ，ＺｈｏｕＪｉａｎ，ＤｉｎｇＺｈａｏｘｉａｎｇ，ＴｉａｎＨｕｉｐｉｎｇ ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｈｏｔｏｎｉｃｓａｎｄＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７６，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｕｅｔｏｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃｏｍｐａｃｔｓｉｚｅ，ｅａｓｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅ，ｓｔｒｏｎｇａｂｉｌｉｔｙｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｌｉｇｈｔ，ｄｅｔｅｃｔｉｎｇｗｉｔｈｏｕｔｌａｂｅｌ，ａｎｄｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｉｎｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ（ＰＣ ）ｍｉｃｒｏｎａｎｏｓｅｎｓｏｒｓｓｈｏｗｇｒｅａｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｏｃｅａｎｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｅｄｉｃｉｎｅｔｅｓｔｉｎｇ，ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ａｓｆｏｒｔｈｅｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎａｎｏｂｅａｍａｎｄｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｌａｂＰＣｓｅｎｓｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， ｔｈｅｋｅｙｔｈｅｏｒｉｅｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓｏｆＰＣ ｍｉｃｒｏｎａｎｏｓｅｎｓｉｎｇａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ ｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｅｎｓｏｒｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｓｅｎｓｏｒｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｗｉｔｈ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｃｈａｌｌｅｎｇｅｓａｎｄｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆＰＣ ｍｉｃｒｏｎａｎｏｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｆｕｒｔｈｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｓｅｎｓｏｒｓ；ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓ；ｍｉｃｒｏｎａｎｏｓｅｎｓｉｎｇ；ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓ ＯＣＩＳｃｏｄｅｓ ２８０．４７８８；２３０．５２９８；２６０．１１８０；２３０．００４０；２３０．３１２０ 收稿日期：２０１７－１０－２６；收到修改稿日期：２０１７－１２－０６ 基金项目：国家自然科学基金（６１３７２０３８，６１４３１００３）、水下光网络联合实验室项目 作者简介：王超（１９９０—），男，博士研究生，主要从事光子晶体微纳传感方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｏｆｃｏｓｗａｎｇ＠１６３．ｃｏｍ 导师简介：田慧平（１９７６—），女，博士，教授，博士生导师，主要从事光子晶体微纳传感与光纤通信方面的研究。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｐｔｉａｎ＠ｂｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（通信联系人） １ 引 言 随着科学技术的发展，人们对传感器性能的要 求越来越 高。１９７８年，普 林斯 顿 大 学 的Ｊｏｈｎ等［１］ 和 Ｂｅｌｌ通信研究室的 Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃ等［２］在研究材料 中周期性电介质结构对光传播行为的影响时，几乎 在同一时间分别提出了光子晶体（ＰＣ）的概念，提供 了一种全新的控光机制。不同于以往利用全反射方 式实现对光子的引导传输，ＰＣ通过周期性排列的电 介质形成光子带隙，以实现对光子传输的引导和控 制。ＰＣ由于具有体积小、控光能力强、设计灵活等 优点，在传感领域引起了广泛关注，尤其在近几年， 其研究重点从最初的基本原理和材料开发向芯片化 和多功能化等方向逐渐转变。 ＰＣ微纳传感技术作为一种全新的传感器基础 技术，与传统的传感技术相比，具有响应时间短、体 积小、易集成、抗干扰能力强以及可实现无标签检测 等优势。目前，国 内 外 主 要 的 ＰＣ 传 感 器 根 据 其 应 用领域可分 为 温 度 传 感 器、生 物 传 感 器、湿 度 传 感 器、化学传感器、气体传感器和压力传感器等，根据 ０３２８００３－１
其结构特性主要可分为一维、二维、三维P℃传感器 表】提高纳米来腔Q值的实验研究 等。本文聚焦于近年来研究较多的基于一维纳米束 Table 1 Sudies for improvingQ factor value of obeam cavity PC和二维平板PC的微纳传感器，从结构设计与传 Reference Structure QResearch type 感性能提升的角度，综述了PC微纳传感关键技才 的理论和实验研究进展，并探讨了其未来应用发展 [3] 256 Experiment 所面临的挑战。 2一维纳米束PC传感关键技术及性能 [4] 102 Experiment 一维纳米束PC是介电常数只在一个方向上异 周期性变化的PC,基于其所设计的光学微腔具有品 质因子(Q)高，模式体积(V)低，结构简单、尺寸小等 [6] .49X1 Experiment 优点，常被用于传感器的设计。P℃微腔结构的光学 特性可以通过Q与V的比值（又称为珀塞尔因子）来 衡量，珀塞尔因子越高，光物反应越强烈，从而可使 [] 7.5X10 Experiment 光学传感器获得更高的分辨率和灵敏度。因此，设 计高品质因子和低模式体积的光学微腔对实现高性 [8] 01000000010 102 Experimen 能的PC微纳传感器非常重要。 高性能一维纳米束PC微腔的设计理念经历了 一个逐渐发展的研究过程，提高纳米束腔Q值的典 s840 型研究见表1.1997年，美国的的Foresi算)利用 P℃的光子带隙特性，通过在亚微米尺寸的硅波导 引入一排周期排列的孔，并调整中心孔的间距，形成 了0值为256.模式体积为0055m3的一维卫C钠 米束腔结构。之后，为了提高Q值，大量不同类型 的优化结构相被提出。其中，2004年，法的 Lalanne等)提出了两种可以提高PC纳米腔珀塞 尔因子的方法，第一种方法是通过调节腔的长度来 图1典型一维PC纳米束腔的结构及场图。 增强腔内反射，第二种方法是通过引入逐渐变化的 (a)介质模腔：(b)空气模腔：()槽结构腔 镜像来减小辐射损耗。这两种方法的提出对后续高 Fig.I Schematics and electric field distributions of several 性能微腔的设计具有重要借鉴意义。如2008年，日 ypical ID PC nanobeam cavities.(cavity 本电报电话公司(NTT)的Notomi等提出了 ·种 (b)air-mode cavity!](c)slot-based cavityo] 堆栈尺寸渐变的一维阶梯P℃结构，其Q值高达 2.1 基于介质模腔的一维纳米束PC传感技术 1×108.2009年.哈佛大学的Deotrae等[)提出了 一维纳米束P℃的介质模腔可将其光学模式主 种通过腔的长度，孔品格常数和半径渐变的结构来 要局域在高折射率区域，易于获得高Q值和低模式 提高Q值的方法。201年，哈佛大学的Qnn等 体积，因此其是研究较多的一种微腔类型。介质模 提出了一种高Q纳米束腔的确定性设计方法。此 纳米束腔通过樱纵能带的介质模能带边缘，将微路 后，得益于有效的设计方法及其高品质因子、低模 中心结构的介质带隙边缘局域到波导两侧孔的光子 式体积等优点，高性能 维纳米束PC微腔的设 带隙中，可使谐振模的光场主要局域在高折射率区 难度大大降低，因此其在P℃传感领域受到「泛 域，能带如图2所示，其中k为波矢大小相对于π/山 关注。 的归一化常量，为品格常数。具体的设计可从中心 一维纳米束腔按光的局域位置， 一般可分为介 到两侧逐渐减小孔的尺寸、增大品格常数等，本质上 质模腔、空气棋腔和槽腔，如图1所示。因光的局域 是从中心到两侧逐渐增大每个品胞的有效折射率 位置不同，其与物质相互作用的强度也不同，灵敏度 使光子带隙逐渐向低能级移动，从而使目标的谐振 也不同。 模位于光子带隙的边缘内侧 0328003-2 Hous All rights www.cnki.ne
光 学 学 报 其结构特性主要可分为一维、二维、三维 ＰＣ传感器 等。本文聚焦于近年来研究较多的基于一维纳米束 ＰＣ和二维平板 ＰＣ的微纳传感器，从结构设计与传 感性能提升的 角 度，综 述 了 ＰＣ 微 纳 传 感 关 键 技 术 的理论和实验研究进展，并探讨了其未来应用发展 所面临的挑战。 ２ 一维纳米束ＰＣ传感关键技术及性能 一维纳米束 ＰＣ是介电常数只在一个方向上呈 周期性变化的 ＰＣ，基于其所设计的光学微腔具有品 质因子（Ｑ）高、模式体积（Ｖ）低、结构简单、尺寸小等 优点，常被用于传感器的设计。ＰＣ微腔结构的光学 特性可以通过Ｑ与Ｖ的比值（又称为珀塞尔因子）来 衡量，珀塞尔因子越高，光物反应越强烈，从而可使 光学传感器获得更高的分辨率和灵敏度。因此，设 计高品质因子和低模式体积的光学微腔对实现高性 能的 ＰＣ微纳传感器非常重要。 高性能一维纳米束 ＰＣ微腔的设计理念经历了 一个逐渐发展的研究过程，提高纳米束腔 Ｑ值的典 型研究见表１。１９９７年，美国的的 Ｆｏｒｅｓｉ等［３］利用 ＰＣ的光子带隙特性，通过在亚微米尺寸的硅波导上 引入一排周期排列的孔，并调整中心孔的间距，形成 了Ｑ值为２５６、模式体积为０．０５５μｍ３的一维 ＰＣ纳 米束腔结构。之 后，为 了 提 高 Ｑ 值，大量不 同 类 型 的优化 结 构 相 继 被 提 出。其 中，２００４ 年，法 国 的 Ｌａｌａｎｎｅ等［４］提出了 两 种 可 以 提 高 ＰＣ 纳 米 腔 珀 塞 尔因子的方法，第一种方法是通过调节腔的长度来 增强腔内反射，第二种方法是通过引入逐渐变化的 镜像来减小辐射损耗。这两种方法的提出对后续高 性能微腔的设计具有重要借鉴意义。如２００８年，日 本电报电话公司（ＮＴＴ）的 Ｎｏｔｏｍｉ等［５］提出了一种 堆栈尺寸 渐 变 的 一 维 阶 梯 ＰＣ 结 构，其 Ｑ 值 高 达 １×１０８。２００９年，哈佛大学的 Ｄｅｏｔｒａｅ等［７］提出了一 种通过腔的长度、孔晶格常数和半径渐变的结构来 提高Ｑ值的方法。２０１１年，哈佛大学的 Ｑｕａｎ等［８］ 提出了一种高 Ｑ纳米束腔的确定性设计方法。此 后，得益于有效的 设 计 方 法 及 其 高 品 质 因 子、低 模 式体积等优点，高性能一维 纳 米 束 ＰＣ微 腔 的 设 计 难度大 大 降 低，因 此 其 在 ＰＣ 传 感 领 域 受 到 广 泛 关注。 一维纳米束腔按光的局域位置，一般可分为介 质模腔、空气模腔和槽腔，如图１所示。因光的局域 位置不同，其与物质相互作用的强度也不同，灵敏度 也不同。 表１ 提高纳米束腔Ｑ 值的实验研究 Ｔａｂｌｅ１ ＳｔｕｄｉｅｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇＱｆａｃｔｏｒｖａｌｕｅｏｆｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｙ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［３］ ２５６ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［４］ １０５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［５］ ６．３×１０７ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［６］ １．４９×１０５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［７］ ７．５×１０５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［８］ １０９ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 图１ 典型一维 ＰＣ纳米束腔的结构及场图。 （ａ）介质模腔［８］；（ｂ）空气模腔［９］；（ｃ）槽结构腔［１０］ Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｉｃａｌ１ＤＰＣｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｉｅｓ．（ａ）Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｍｏｄｅｃａｖｉｔｙ［８］； （ｂ）ａｉｒ－ｍｏｄｅｃａｖｉｔｙ［９］；（ｃ）ｓｌｏｔ－ｂａｓｅｄｃａｖｉｔｙ［１０］ ２．１ 基于介质模腔的一维纳米束 ＰＣ传感技术 一维纳米束 ＰＣ的介质模腔可将其光学模式主 要局域在高折射率区域，易于获得高 Ｑ值和低模式 体积，因此其是研究较多的一种微腔类型。介质模 纳米束腔通过操纵能带的介质模能带边缘，将微腔 中心结构的介质带隙边缘局域到波导两侧孔的光子 带隙中，可使谐振模的光场主要局域在高折射率区 域，能带如图２所示，其中ｋ为波矢大小相对于π／ａ 的归一化常量，ａ为晶格常数。具体的设计可从中心 到两侧逐渐减小孔的尺寸、增大晶格常数等，本质上 是从中心到两侧逐渐增大每个晶胞的有效折射率， 使光子带隙逐渐向低能级移动，从而使目标的谐振 模位于光子带隙的边缘内侧。 ０３２８００３－２
学 学 报 260 腔，Q值高达1X10°，灵敏度为190mm/RIU。2014年。 240 麻省理工学院的Clevenson等设计了一种基于 柔性聚合材料的PC纳米束腔气体传感器，其原理 为柔性聚合材料与气体接触后会发生膨胀，从而引 20 起谐振波长的偏移，实验验证其Q值超过1×10 180 灵敏度为10-i。2015年，加州理工学院的Fegadolli 等)将硅基PC纳米束波导摆合隙用于传感，通过 160 结合一个加热器，可同步控制温度和折射率，灵敏度 09 03 为98nm/RIU。浙江大学的Zhang等设计了 种基于绝缘衬底的硅材料(SOI)堆栈结构的纳米束 Fig.2 E 一维纳米束PC介质模腔不仅控光能力强，在 实际应用中设计也非常灵活，近几年一维纳米束PC 等)提出了一种基于硅PC纳米束腔的复折射率传 介质模腔用于传感领域的典型结构及其传感特性见 成模型，其检测原理为，通过迭振波长的偏移检测折 表2.2011年，哈佛大学的Quan等设计了一种 射率的实部变化，通过吸收引起的谐振波半峰带 聚合物PC纳米束腔传感器，其品质因子为3.6× 的变化检测折射率的虑部变化。该传感器可实现对 10.录敏度为386nm/RIU(RIU为单位折射表) 三元混合物的检测，实验中实部和虚部的灵敏度分 2012年，浙江大学的Ya0等[四提出了 维堆 别为58nm/RIU和139nm/RIU。这意味若基于 找型的PC微腔传感器，其Q值为2.7×10'，灵敏度 维纳米束PC介质模腔的传感器在多功能传感方 为269nm/RIU。四川大学的Feng等)设计了 面迈出了重要一步，对未来多参量传感等多功能传 种孔半径和晶格常数同步逐渐增大的介质模纳米束 感器的研究具有启发和借鉴意义。 表2应用于传感领域的一维P℃介质模纳米束腔 Table 2 ID PC dieleetric-mode nanobeam cavity applied in sensing field Reference Structure Q Sensitivity Analyte Research type [11] a面 3.6×10 386 nm-RIU-! Glucose solution Experiment [12 2.7×10 269nmRIU- Experiment [13] 190 nm-RIU-1 Gas Simulation [14 104 10-5 Gas Experiment [15J 10 98 nm-RIU- Experiment [16 1.3×10 428 nm-RIU-! NaCl solution Experiment [17] 3.5×10 58 nm-RIU-Ternary liquid mixture Experiment 0328003-3 1994-2018 China Academic Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
光 学 学 报 图２ 介质模纳米束腔的能带示意图［８］ Ｆｉｇ．２ Ｅｎｅｒｇｙｂａｎｄｄｉａｇｒａｍｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｍｏｄｅｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｙ［８］ 一维纳米束 ＰＣ 介质模腔不仅控光 能 力 强，在 实际应用中设计也非常灵活，近几年一维纳米束 ＰＣ 介质模腔用于传感领域的典型结构及其传感特性见 表２。２０１１年，哈佛大学的 Ｑｕａｎ等［１１］设计了一种 聚合物 ＰＣ 纳 米 束 腔 传 感 器，其 品 质 因 子 为 ３．６× １０４，灵敏度 为３８６ｎｍ／ＲＩＵ（ＲＩＵ 为 单位 折 射 率）。 ２０１２年，浙 江大 学 的 Ｙａｏ等［１２］提出了 一 种 一 维 堆 栈型的 ＰＣ微腔传感器，其Ｑ值为２．７×１０４，灵敏度 为２６９ｎｍ／ＲＩＵ。四川大学的 Ｆｅｎｇ等［１３］设计了一 种孔半径和晶格常数同步逐渐增大的介质模纳米束 腔，Ｑ值高达１×１０６，灵敏度为１９０ｎｍ／ＲＩＵ。２０１４年， 麻省理工 学 院 的 Ｃｌｅｖｅｎｓｏｎ等［１４］设计了一种基于 柔性聚合材料 的 ＰＣ 纳米束腔气体传感器，其 原 理 为柔性聚合材料与气体接触后会发生膨胀，从而引 起谐振波长的偏移，实验验证其 Ｑ值 超过１×１０４， 灵敏度为１０－５。２０１５年，加州理工学院的 Ｆｅｇａｄｏｌｌｉ 等［１５］将硅基 ＰＣ 纳米束波导耦合腔用于传感，通过 结合一个加热器，可同步控制温度和折射率，灵敏度 为９８ｎｍ／ＲＩＵ。浙江大学的 Ｚｈａｎｇ等［１６］设计了一 种基于绝缘衬底的硅材料（ＳＯＩ）堆栈结构的纳米束 腔，并用于 ＮａＣｌ溶液的浓度检测，Ｑ值为１．３×１０４， 灵敏度为４２８ｎｍ／ＲＩＵ。２０１６年，新 加坡 的 Ｚｈａｎｇ 等［１７］提出了一种基于硅 ＰＣ纳米束腔的复折射率传 感模型，其检测原理为：通过谐振波长的偏移检测折 射率的实部变化，通过吸收引起的谐振波半峰带宽 的变化检测折射率的虚部变化。该传感器可实现对 三元混合物的检测，实验中实部和虚部的灵敏度分 别为５８ｎｍ／ＲＩＵ 和１３９ｎｍ／ＲＩＵ。这 意味 着 基 于 一维纳米束 ＰＣ介质模腔的传感器在多功能传感方 面迈出了重要一步，对未来多参量传感等多功能传 感器的研究具有启发和借鉴意义。 表２ 应用于传感领域的一维 ＰＣ介质模纳米束腔 Ｔａｂｌｅ２ １ＤＰＣｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｍｏｄｅｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ａｎａｌｙｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［１１］ ３．６×１０４ ３８６ｎｍ·ＲＩＵ－１ Ｇｌｕｃｏｓｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１２］ ２．７×１０４ ２６９ｎｍ·ＲＩＵ－１ Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１３］ １０６ １９０ｎｍ·ＲＩＵ－１ Ｇａｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［１４］ １０４ １０－５ Ｇａｓ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１５］ １０６ ９８ｎｍ·ＲＩＵ－１ Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１６］ １．３×１０４ ４２８ｎｍ·ＲＩＵ－１ ＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１７］ ３．５×１０４ ５８ｎｍ·ＲＩＵ－１ Ｔｅｒｎａｒｙｌｉｑｕｉｄｍｉｘｔｕｒｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ０３２８００３－３
22基于空气模腔的一维纳米束PC传感技术 近几年一维纳米束PC空气模腔用于传感领域 基于介质模的一维P℃纳米束腔具有较强的光 的结构及其传感特性见表3.2015年，哈佛大学的 子局域能力，但其光场模式主要局域在高折射率的 Lang等[幻通过调节矩形孔的长度，设计了一种空 介质中，不利于光和低折射率区域中物质的反应，因 气模纳米束腔，其Q值高达2.5×10°，模式体积低至 此在一定程度上制约了灵敏度的提高。因此，为了 0.01入（以为波长），其谐振模光场主要局域在低折射 进一步提高灵敏度，增强光与低折射率区域物质的 率的介质区域，因此可以显著提高探测纳米拉子的 反应，研究人员提出了一种基于空气模的 一维纳米 灵敏度，可探测到直径小至1.8nm的单个金纳米粒 束PC微腔结构。空气模纳米束腔通过操纵能带的 子。同年，韩国的Kim等利用PC纳米束腔的 空气模带隙边缕，将中心鹘孔的空气带隙边缘局域 阶空气能带模式进行传感，在水环境中，其所设计的 到波导两侧孔的PC带隙中，可使光场主要局域在 传感器的理论Q值为23300，理论灵敏度达 低折射率区域，能带如图3所示。设计本质是从 631nm/RIU,实验灵敏度为461nm/RIU。相比于 心到两侧逐渐减小每个品胞的有效折射率，使光子 大多数基于低能级空气模的传感器，该传感器所利 带隙逐渐向高能级移动，从而使目标谐根模位于光 用的高能级空气模可更有效地将光场模式局域在低 子带隙的边缘内侧 折射率区域，从而进 步增强了光物反应，获得了更 20 高的灵敏度。此外，2015年，北京邮电大学的Yang 等)设计了一种波导宽度渐变的空气模纳米束腔传 230 感器，理论灵敏度可达537.8nm/RIU。2016年，北 京郎电大学的Huag等[提出了一种基于椭圆孔 的空气模纳米束腔结构，其灵敏度为389nm/RIU。 2017年，北京邮电大学的Sun等[2】提出了一种矩 形孔品格常数渐变的超小体积的空气模纳米束 02 传感器，灵敏度为252nm/RIU。这些研究极大 04 富了基于空气模的纳米束腔传感器的研究，对后 图3空气模纳米束腔的能带示意图回 续基于空气模提高传感器灵敏度的研究具有重要 Fig.3 Energy band diagram of air mode nanobeam cavity 借整意义。 表3应用于传感领域的一维PC空气模钠米束跑 Table3 ID PCair-mode nanobeam cavity applied in sensing field Referece Sensitivity/nmRIU-l）Analyte Research type [18] 00000000000000000008 2.5×10 Nano-particle Experiment [19】 770 Liquid Experiment [9 10 537.8 Liquid Simulation [20] 389 Liquid Simulation [21] 11111111 10 Gas Simulation 2.3基于槽结构腔的一维纳米束PC传感技术 感器检测灵敏度的一种有效方法。相较于介质模腔 通过前文分析可知，通过增强光在低折射率介 和空气模腔，槽结构腔的谐振光场主要局域在槽波 质中的能量分布以增强光物之间相互作用是提高传 导中，光物的接轴面积更大，光物反应更加充分，因 0328003-4 1994-2018 China Academie Joumal Electronie Publishing House All rights reserved. http://www.cnki.ne
光 学 学 报 ２．２ 基于空气模腔的一维纳米束 ＰＣ传感技术 基于介质模的一维 ＰＣ纳米束腔具有较强的光 子局域能力，但其光场模式主要局域在高折射率的 介质中，不利于光和低折射率区域中物质的反应，因 此在一定程度上制约了灵敏度的提高。因此，为了 进一步提高灵敏度，增强光与低折射率区域物质的 反应，研究人员提出了一种基于空气模的一维纳米 束 ＰＣ微腔结构。空气模纳米束腔通过操纵能带的 空气模带隙边缘，将中心腔孔的空气带隙边缘局域 到波导两侧孔 的 ＰＣ 带 隙 中，可 使 光 场 主 要 局 域 在 低折射率区域，能带如图３所示。设计本质是从中 心到两侧逐渐减小每个晶胞的有效折射率，使光子 带隙逐渐向高能级移动，从而使目标谐振模位于光 子带隙的边缘内侧。 图３ 空气模纳米束腔的能带示意图［８］ Ｆｉｇ．３ Ｅｎｅｒｇｙｂａｎｄｄｉａｇｒａｍｏｆａｉｒ－ｍｏｄｅｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｙ［８］ 近几年一维纳米束 ＰＣ空气模腔用于传感领域 的结构及其传感特性见表３。２０１５年，哈佛大学的 Ｌｉａｎｇ等［１８］通过调节矩形孔 的 长 度，设 计 了 一 种 空 气模纳米束腔，其Ｑ值高达２．５×１０６，模式体积低至 ０．０１λ３（λ为波长），其谐振模光场主要局域在低折射 率的介质区域，因此可以显著提高探测纳米粒子的 灵敏度，可探测到直径小至１．８ｎｍ 的单个金纳米粒 子。同年，韩国的 Ｋｉｍ 等［１９］利用 ＰＣ纳米束腔的二 阶空气能带模式进行传感，在水环境中，其所设计的 传 感 器 的 理 论 Ｑ 值 为 ２３３００，理 论 灵 敏 度 达 ６３１ｎｍ／ＲＩＵ，实验灵敏度为４６１ｎｍ／ＲＩＵ。相比于 大多数基于低能级空气模的传感器，该传感器所利 用的高能级空气模可更有效地将光场模式局域在低 折射率区域，从而进一步增强了光物反应，获得了更 高的灵敏度。此外，２０１５年，北京邮电大学的 Ｙａｎｇ 等［９］设计了一种波导宽度渐变的空气模纳米束腔传 感器，理论灵敏度可达５３７．８ｎｍ／ＲＩＵ。２０１６年，北 京邮电大学的 Ｈｕａｎｇ等［２０］提出了一种基于椭圆孔 的空气模纳米束腔结构，其灵敏度为３８９ｎｍ／ＲＩＵ。 ２０１７年，北京邮电 大 学 的 Ｓｕｎ等［２１］提出 了 一 种 矩 形孔晶格常数渐变 的 超 小 体 积 的 空 气 模 纳 米 束 腔 传感器，灵敏度为２５２ｎｍ／ＲＩＵ。这 些研 究 极 大 丰 富了基于 空 气 模 的 纳 米 束 腔 传 感 器 的 研 究，对 后 续基于空气模提高 传 感 器 灵 敏 度 的 研 究 具 有 重 要 借鉴意义。 表３ 应用于传感领域的一维 ＰＣ空气模纳米束腔 Ｔａｂｌｅ３ １ＤＰＣａｉｒ－ｍｏｄｅｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｒｅｆｅｒｅｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ／（ｎｍ·ＲＩＵ－１） Ａｎａｌｙｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［１８］ ２．５×１０５ － Ｎａｎｏ－ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１９］ ７７０ ４６１ Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［９］ １０４ ５３７．８ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［２０］ １０４ ３８９ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［２１］ １０５ ２５２ Ｇａｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ２．３ 基于槽结构腔的一维纳米束 ＰＣ传感技术 通过前文分析可知，通过增强光在低折射率介 质中的能量分布以增强光物之间相互作用是提高传 感器检测灵敏度的一种有效方法。相较于介质模腔 和空气模腔，槽结构腔的谐振光场主要局域在槽波 导中，光物的接触面积更大，光物反应更加充分，因 ０３２８００３－４
学 学 此可进一步提高传感器的灵敏度。 腔结构，实验获得其折射率灵敏度为234nm/RIU 近几年，一维纳米束PC槽结构腔在传感领域 2016年，华中科技大学的Li等设计了一种孔半 的应用及其结构和传感特性见表4.2010年，荷兰 径渐变的槽纳米束腔，品质因子达103，灵敏度高达 的Wang等四提出了一种基于InGaAsP的PC双 851nm/RIU。浙江大学的Zhang等设计的槽纳 纳米束槽腔，水环境下其品质因子为3×10，灵敏 米束腔的品质因子高达4.5×10，利用光力的作用 度达700nm/RIU。2013年.浙江大学的Xu等2 可捕获半径为2nm的聚苯乙烯粒子。此外，北京 设计了一种堆栈宽度渐变的槽纳米束腔，讲一步提 却电大学的Yang等[0，)设计了一系列的槽纳米 高了品质因子，使其达到了10，在NaC1溶夜的检 束腔，其中，他们在2014年与哈佛大学合作设计了 测中，灵敏度为410nm/RIU。2015年，新加坡的 种平行四方晶格的槽式纳米束腔)，水环境下 Lin等[通过在腔的中心区域加入短槽，在不牺牲 其灵敏度为451nm/RIU,实验结果显示，该传感 品质因子和灵敏度的情况下，将模式体积减小了 器能够在磷酸缓冲溶液里探测到密度为10ag/ml 1/10,其用于单纳米粒子检测时，可检测到最小半徭 的链霉亲和素2015年，他们设计了高灵敏度、高 为1nm的纳米粒子，灵敏度为460nm/RIU。台湾 品质因数和低模式体积的单纳米束纳米槽PC微 的Chng等[)提出了一种双纳米束的并列耦合式槽 腔o,灵敏度高达749nm/RIU:2017年，他们设计 表4应用于传感领域的一维PC结构纳米束腔 Structure Q Sensitivity /(nm-RIU-) Analyte [22] 3×10 700 Sucrose solution Experiment [23] 10 410 NaCl solution Experiment [24] 6.08X10 Liquid Simulation [25] 00中00000000中0 10 Gas Experiment 1040t0400t1tut1t0100i00 [26] 10 85 Gas Simulation 4.5×10 Polystyrene particles Simulation [28] 7×10 451 Ethanol solution Experiment [1o] ++i:++++++ 10 Simulation [29] 1.14×10 Liquid Simulation 0328003-5 1994-2018 China academic lournal electronic publishing House all rights reserved http://www cnkine
光 学 学 报 此可进一步提高传感器的灵敏度。 近几年，一维 纳 米 束 ＰＣ 槽 结 构 腔 在 传 感 领 域 的应用及其结构和传感特性见表４。２０１０年，荷兰 的 Ｗａｎｇ等［２２］提出了 一 种 基 于ＩｎＧａＡｓＰ 的 ＰＣ 双 纳米束槽腔，水 环 境 下 其 品 质 因 子 为３×１０３，灵 敏 度达７００ｎｍ／ＲＩＵ。２０１３年，浙 江大 学 的 Ｘｕ等［２３］ 设计了一种堆栈宽度渐变的槽纳米束腔，进一步提 高了品质因子，使其达到了１０４，在 ＮａＣｌ溶 夜的 检 测中，灵 敏 度 为 ４１０ｎｍ／ＲＩＵ。２０１５ 年，新 加 坡 的 Ｌｉｎ等［２４］通过在腔的中心区域加入短槽，在 不 牺 牲 品质因 子 和 灵 敏 度 的 情 况 下，将模式体积减小了 １／１０，其用于单纳米粒子检测时，可检测到最小半径 为１ｎｍ 的纳米粒子，灵敏度为４６０ｎｍ／ＲＩＵ。台湾 的Ｃｈａｎｇ等［２５］提出了一种双纳米束的并列耦合式槽 腔结构，实验获得其折射率灵敏度为２３４ｎｍ／ＲＩＵ。 ２０１６年，华中科技大学 的 Ｌｉ等［２６］设 计了 一 种 孔 半 径渐变的槽纳米束腔，品质因子达１０５，灵敏度高达 ８５１ｎｍ／ＲＩＵ。浙江大学的Ｚｈａｎｇ等［２７］设计的槽纳 米束腔的品质因子高达４．５×１０７，利用光力的作用 可捕获半径 为２ｎｍ 的聚苯乙烯粒子。此 外，北京 邮电大学的 Ｙａｎｇ等［１０，２８－２９］设计了一系列的槽纳米 束腔，其中，他们在２０１４年与哈佛大学合作设计了 一种平行四方晶格的槽式纳米束腔［２８］，水 环 境 下 其灵敏 度 为 ４５１ｎｍ／ＲＩＵ，实 验 结 果 显 示，该 传 感 器能够在磷酸缓冲溶液里探测到密度为１０ａｇ／ｍＬ 的链霉亲和 素；２０１５年，他们设计了高灵敏度、高 品质因数和低模式体积的单纳米束纳米槽 ＰＣ 微 腔［１０］，灵敏度高达７４９ｎｍ／ＲＩＵ；２０１７年，他们设计 表４ 应用于传感领域的一维 ＰＣ槽结构纳米束腔 Ｔａｂｌｅ４ １ＤＰＣｓｌｏｔ－ｂａｓｅｄｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ／（ｎｍ·ＲＩＵ－１） Ａｎａｌｙｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［２２］ ３×１０３ ７００ Ｓｕｃｒｏｓｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［２３］ １０４ ４１０ ＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［２４］ ６．０８×１０６ ４６０ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［２５］ １０３ ２３４ Ｇａｓ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［２６］ １０５ ８５１ Ｇａｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［２７］ ４．５×１０７ － Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［２８］ ７×１０３ ４５１ Ｅｔｈａｎｏｌｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１０］ １０７ ９００ Ｇａｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［２９］ １．１４×１０７ ４５１ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０３２８００３－５
了双纳米梁的槽PC结构]，在水环境下，其灵敏度 典型应用见表5.2017年，燕山大学的陈颗等[ 达4O0nm/RIU.。,总之，基于槽结构的纳米束微韵 结合PC的缺路模式和表而模式特性，提出了一种 传感器不仅实现了高灵敏度，还实现了高品质因子 含吸收介质的PC法布里珀罗异质结构，该结检 等特性，这促进了槽结构腔在高灵敏度、低探测极 将待测样本直接作为表面缺陷腔，在折射率检测 传感中的应用，对粒子探测、气体检测及生物医疗检 中实现了1017.98nm/RIU的灵敏度。上海大学 测等具有重要意义。 的Tu等[通过激发锥形化光纤的一维PC包层 基于上述分析可知，将光场局域到低折射率区 的布洛赫表面模，实现了最高为2184nm/RIU的 域中，可有效提高传感器的灵敏度。对大部分传感 折射率灵敏度，这远高于前述传感器的灵敏度。 器而言，灵敏度越高越好，如何在此基础上进一步提 然而，表5中两种传感器在取得高灵敏度的同时， 高传感器的灵敏度，研究人员仍然在探素。对于甚 其对应的表面送振模式的0值分别只有2097和 于P℃结构的传感器，当前还没有非常有效的方法 32左右，这将会影响其传感精度和实际应用价值。 根据目前为数不多的研究可知，PC表面模可能是 因此，实现各方面性能皆优的传感器，仍然需要更 一个重要方向，一维P℃表面模缺陷腔在传感中的 名的研究。 表5应用于传领城的一维C表面链缺路 Table 5 ID PC su ty applied in sening field Structure Q Sensitivity/(nmRIU-) Research type [30] 1017.98 Simulation [31] 50 2184 Experiment 微腔可用于高品质因子、高灵敏度及低探测极限 3二维平板PC传感关键技术及性能 的传感器检测。 二维P℃是介电常数在二维空间呈周期性排列 近年研究较多的二维平板PC传感器按其结构 的结构，相对于一维P℃，二维PC的结构设计更加 设计的不同可分为点缺陷腔传感器、异质结构腔传 灵活多样，能够依据需求而构造各种不同的高性能 感器、慢光波导传诚器以及导模谐振传感器等。不 传感器，如折射率传感器、生化传感器、压力传感器 同结构的传感器性能也有所不同。 等。典型的二维PC结构是由一些圆的或方的介质 3,1基于点缺陷腔的二维平板PC传感技术 柱在空气背景中排列成六方品系（三角品格），或由 通过去除，增加或移动等方式改变二维P℃结 空气孔在介质背景中规则排列而成的。在理论、实 构中的完美周期性结构，可以构成点缺陷腔。点缺 验研究及实际应用中，二维PC微腔传感器多以三 陷腔由于具有结构简单、体积小、易集成以及光场局 角品格空气孔型平板作为基础平台，相较于介质柱 域性能良好等优点，是二维平板P℃微腔的一类重 型的二维PC,其在横电(TE)模式下具有较大的为 要结构，在PC传感器中的应用也较多 子带隙，并且对光子具有很强的局域效应，因此通 设计高性能的二维平板PC点缺陷腔对其后 时玻坏二维C的完美结构从而形成的各种缺路 续应用非常重要，类似于一维纳米束C微腔，其 0328003-6 1994-2018 China Academie Joural Electronie Publishing House All rights reserved. http://www.cnki.ne
光 学 学 报 了双纳米梁的槽 ＰＣ结构［２９］，在水环境下，其灵敏度 达４００ｎｍ／ＲＩＵ。总 之，基于 槽 结 构 的 纳 米 束 微 腔 传感器不仅实现了高灵敏度，还实现了高品质因子 等特性，这促进了槽结构腔在高灵敏度、低探测极限 传感中的应用，对粒子探测、气体检测及生物医疗检 测等具有重要意义。 基于上述分析可知，将光场局域到低折射率区 域中，可有效提高传感器的灵敏度。对大部分传感 器而言，灵敏度越高越好，如何在此基础上进一步提 高传感器的灵敏度，研究人员仍然在探索。对于基 于 ＰＣ结构的传感器，当前还没有非常有效的方法， 根据目前为数 不 多 的 研 究 可 知，ＰＣ 表 面 模 可 能 是 一个重要方向，一维 ＰＣ表面 模 缺 陷 腔 在 传 感 中 的 典型应用见表 ５。２０１７ 年，燕山大学的陈颖等［３０］ 结合 ＰＣ的缺陷模式和表面 模 式 特 性，提 出 了 一 种 含吸收介 质 的 ＰＣ 法 布 里－珀 罗 异 质 结 构，该 结 构 将待测样 本 直 接 作 为 表 面 缺 陷 腔，在 折 射 率 检 测 中实现了１０１７．９８ｎｍ／ＲＩＵ 的 灵 敏 度。上 海 大 学 的 Ｔｕ等［３１］通过激发锥形化光纤的一维 ＰＣ 包 层 的布洛赫表 面 模，实 现 了 最 高 为２１８４ｎｍ／ＲＩＵ 的 折射率 灵 敏 度，这 远 高 于 前 述 传 感 器 的 灵 敏 度。 然而，表５中两种 传 感 器 在 取 得 高 灵 敏 度 的 同 时， 其对应的表面谐振模式的 Ｑ值分别 只 有２０９７和 ３２左右，这将会影响其传感精度和实际应用价值。 因此，实现各方面 性 能 皆 优 的 传 感 器，仍 然 需 要 更 多的研究。 表５ 应用于传感领域的一维 ＰＣ表面模缺陷腔 Ｔａｂｌｅ５ １ＤＰＣｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｄｅｃａｖｉｔｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ／（ｎｍ·ＲＩＵ－１） Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［３０］ ２０９７ １０１７．９８ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［３１］ ＜５０ ２１８４ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ３ 二维平板ＰＣ传感关键技术及性能 二维 ＰＣ是介电常数在二维空间呈周期性排列 的结构，相对于 一 维 ＰＣ，二 维 ＰＣ 的 结 构 设 计 更 加 灵活多样，能够依据需求而构造各种不同的高性能 传感器，如折射率传感器、生化传感器、压力传感器 等。典型的二维 ＰＣ结构是由一些圆的或方的介质 柱在空气背景中排列成六方晶系（三角晶格），或由 空气孔在介质背景中规则排列而成的。在理论、实 验研究及实际 应 用 中，二 维 ＰＣ 微 腔 传 感 器 多 以 三 角晶格空气孔型平板作为基础平台，相较于介质柱 型的二维 ＰＣ，其在横电（ＴＥ）模式下具有较大的光 子带隙，并且对光 子 具 有 很 强 的 局 域 效 应，因 此 通 过破坏二维 ＰＣ 的 完 美 结 构 从 而 形 成 的 各 种 缺 陷 微腔可用 于 高 品 质 因 子、高 灵 敏 度 及 低 探 测 极 限 的传感器检测。 近年研究较多的二维平板 ＰＣ传感器按其结构 设计的不同可分为点缺陷腔传感器、异质结构腔传 感器、慢光波导传感器以及导模谐振传感器等。不 同结构的传感器性能也有所不同。 ３．１ 基于点缺陷腔的二维平板 ＰＣ传感技术 通过去除、增 加 或 移 动 等 方 式 改 变 二 维 ＰＣ 结 构中的完美周期性结构，可以构成点缺陷腔。点缺 陷腔由于具有结构简单、体积小、易集成以及光场局 域性能良好等 优 点，是 二 维 平 板 ＰＣ 微 腔 的 一 类 重 要结构，在 ＰＣ传感器中的应用也较多。 设计高性能的二维平板 ＰＣ 点 缺 陷 腔 对 其 后 续应用非 常 重 要，类似于一维纳米束 ＰＣ 微 腔，其 ０３２８００３－６
学 学 设计理念和性能也分别经历了一个逐渐发展和不 与其他结构不同的是，该设计中P℃平板平面内光 断优化的过程，典型的基于二维平板PC点缺陷胜 场的强局域能力并非是由P℃的禁带效应造成的 的设计及其关键性能见表6.2003年，日本京都 而是？平板谐振腔模式与一阶是橙之间弱摇合的 大学的Akahane等a]首次提出了在完美的二维 结果。2011年，北京邮电大学的Yang等[仅仅通 PC结构中去除3个空气孔的L3微腔的设计理 过移动空气孔的位置，首次提出并形成了H0微腔 念，并实验验证了其Q值达4.5×10，模式体积为 (即无需去除P℃平板中空气孔，仅通过调整相邻空 7.0X10-“cm'。此后，日本京都大学的Akahane 气孔的相对位置而形成的缺咯腔)模型，该模型的结 等，美国罗切斯特大学的Lai等分别对L3微 构简单，对PC微腔的单片集成具有重要意义 腔进行了优化，极大提高了L3微腔的光场局域性 2012年，美国的Chakravarty等)以L3腔为基础 能，将Q值分别提升到了105和10°量级。2008年 通过去除PC平板同一方向上的n个空气孔，构建 日本高等科学技术研究中心的Tandaechanurat 了一系列Lm型PC微腔模型，这极大丰富了点缺陷 等提出了一种在完美的二维PC结构中去除一个 腔的设计理念，对后续L”型点缺陷腔的设计具有西 空气孔的H1微腔结构，通过优化平板的厚度，得到 要借鉴意义。此外，值得提出的是，2016年，日本京 最高的仿真Q值为16200，最高的实验Q值为300 都大学的Nakam山ra等[灯通过观察尚脖光场在使 表6高品质因子的二维平板PC点缺陷 里叶空间泄露模中的分布，以 种非常直观的 Table 62D slab PC point-defeet cavity with high quity factor 法对Q值进行了优化，这对高品质因子P℃微腔及 Reference Strueture Q Research type 基于此类微腔的高性能传感器的设计具有重要指 导意义。 二维平板PC点缺陷腔具有简单的结构和良好 [32] .5X10 Experiment 的控光性能，在传感领域得到了学者们的广泛关注， 近几年其在生化传感中的典型应用见表7。 2010年，新加坡的Hsia0等[9设计了 种 维平板 PC环形腔生物分子传感器，理论仿真结果表明，该 [33] 10 Simulation 结构对生物分子的传感极限达0.2fg。2012年，美 国的Lai等[o设计了L3,L7和L13微腔与w1波 导（去除完美P℃平板中的一排空气孔所形成的波 导)边腔辐合的传感结构，在生化传感中最高灵敏度 [34] 10 Experiment 达到15ng/mL。2014,美国的Zou等[进一步设 计了L13、L21和L55微腔，并对其在生化传感中的 性能进行了研究，其中L55微腔在实验中对磷酸盐 [35] 3X10 Experiment 缓冲液中生物素浓度的检测灵敏度为3,35De/mL 同年，北京邮电大学的Zhou等[四设计了 种基于 H2微腔（去除PC平板中的两个相邻空气孔形成的 [36] Simulation 缺陷腔)的P℃传感器，并应用于糖水溶液浓度的检 测，折射率灵敏度为(131.70士16.82)nm/RIU,探 测极限达3.797×106RIU。2015年，美国罗切斯 特大学的Bak©r等[)设计了一种大型缺陷瞪，并用 [37] 9.3×103 Experiment 于检测人体血清中的大分子病毒。基于相结物 2017年，Baker等[a又提出了-一种新型的基于二维 平板PC波导耦合的微流控粒子识别检测器，该检 测器集成了P℃病毒探测器，通过对抗体和病毒的 [38] los Simulation 实验检测，进一步验证了其对病春尺寸的粒子的检 测能力。 0328003-7 1994-2018 China academic lournal electronic publishing House all rights reserved http://www cnkine
光 学 学 报 设计理念和性能也 分 别 经 历 了 一 个 逐 渐 发 展 和 不 断优化的过程，典型的基于 二 维 平 板 ＰＣ点 缺 陷 腔 的设计及其关键性能见表 ６。２００３ 年，日 本 京 都 大学 的 Ａｋａｈａｎｅ等［３２］首 次 提 出 了 在 完 美 的 二 维 ＰＣ结构 中 去 除 ３ 个 空 气 孔 的 Ｌ３ 微 腔 的 设 计 理 念，并实验验证了其 Ｑ值 达４．５×１０４，模式体 积 为 ７．０×１０－１４ ｃｍ３。此 后，日 本 京 都 大 学 的 Ａｋａｈａｎｅ 等［３３］、美国罗切斯特大学的 Ｌａｉ等［３４］分别对 Ｌ３微 腔进行了优化，极 大 提 高 了 Ｌ３微 腔 的 光 场 局 域 性 能，将Ｑ值分别提升到了１０５和１０６量级。２００８年， 日本 高 等 科 学 技 术 研 究 中 心 的 Ｔａｎｄａｅｃｈａｎｕｒａｔ 等［３５］提出了一种在完美的二维 ＰＣ结构中去除一个 空气孔的 Ｈ１微腔结构，通过优化平板的厚度，得到 最高的仿真Ｑ值为１６２００，最高的实验Ｑ值为３０００。 表６ 高品质因子的二维平板 ＰＣ点缺陷腔 Ｔａｂｌｅ６ ２ＤｓｌａｂＰＣｐｏｉｎｔ－ｄｅｆｅｃｔｃａｖｉｔｙｗｉｔｈｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［３２］ ４．５×１０４ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［３３］ １０５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［３４］ １０６ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［３５］ ３×１０３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［３６］ １０３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［３７］ ９．３×１０３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［３８］ １０６ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 与其他结构不 同 的 是，该 设 计 中 ＰＣ 平 板 平 面 内 光 场的强局域能 力 并 非 是 由 ＰＣ 的 禁 带 效 应 造 成 的， 而是 ＰＣ平板谐振腔模式与二阶导模之间弱耦合的 结果。２０１１年，北京邮电大学的 Ｙａｎｇ等［３６］仅仅通 过移动空气孔的位 置，首 次 提 出 并 形 成 了 Ｈ０微 腔 （即无需去除 ＰＣ平板中空气孔，仅通过调整相邻空 气孔的相对位置而形成的缺陷腔）模型，该模型的结 构简 单，对 ＰＣ 微腔的单片集成具有重要意义。 ２０１２年，美国的 Ｃｈａｋｒａｖａｒｔｙ等［３７］以 Ｌ３腔为基础， 通过去除 ＰＣ平 板 同 一 方 向 上 的ｎ个空气 孔，构 建 了一系列 Ｌｎ型 ＰＣ微腔模型，这极大丰富了点缺陷 腔的设计理念，对后续Ｌｎ型点缺陷腔的设计具有重 要借鉴意义。此外，值得提出的是，２０１６年，日本京 都大学的 Ｎａｋａｍｕｒａ等［３８］通过观察微腔光场在傅 里叶空间 泄 露 模 中 的 分 布，以 一 种 非 常 直 观 的 方 法对 Ｑ值进行了优化，这对 高 品 质 因 子 ＰＣ微 腔 及 基于此类微腔的高 性 能 传 感 器 的 设 计 具 有 重 要 指 导意义。 二维平板 ＰＣ点缺陷腔具有简单的结构和良好 的控光性能，在传感领域得到了学者们的广泛关注， 近几 年 其 在 生 化 传 感 中 的 典 型 应 用 见 表 ７。 ２０１０年，新加坡的 Ｈｓｉａｏ等［３９］设计了一种二维平板 ＰＣ环形腔生物分子传感器，理论仿真结果表明，该 结构对生物分子的传感极限达０．２ｆｇ。２０１２年，美 国的 Ｌａｉ等［４０］设计了 Ｌ３、Ｌ７和 Ｌ１３微腔与 Ｗ１波 导（去除完美 ＰＣ 平板中的一排空气孔所形成的波 导）边腔耦合的传感结构，在生化传感中最高灵敏度 达到１５ｎｇ／ｍＬ。２０１４，美国的 Ｚｏｕ等［４１］进一步 设 计了 Ｌ１３、Ｌ２１和 Ｌ５５微腔，并对其在生化传感中的 性能进行了研究，其中 Ｌ５５微腔在实验中对磷酸盐 缓冲液中生物素浓度的检测灵敏度为３．３５ｐｇ／ｍＬ。 同年，北京邮电大学 的 Ｚｈｏｕ等［４２］设计了 一 种 基 于 Ｈ２微腔（去除 ＰＣ平板中的两个相邻空气孔形成的 缺陷腔）的 ＰＣ传感器，并应用于糖水溶液浓度的检 测，折射 率 灵 敏 度 为（１３１．７０±１６．８２）ｎｍ／ＲＩＵ，探 测极限达３．７９７×１０－６ ＲＩＵ。２０１５年，美 国罗 切 斯 特大学的 Ｂａｋｅｒ等［４３］设计了一种大型缺陷腔，并用 于检测人体血清中的大分子病毒。基于相似结构， ２０１７年，Ｂａｋｅｒ等［４４］又提出了一种新型的基于二维 平板 ＰＣ波导耦合的微流控粒子识别检测器，该 检 测器集成了 ＰＣ 病 毒 探 测 器，通 过 对 抗 体 和 病 毒 的 实验检测，进一步验证了其对病毒尺寸的粒子的检 测能力。 ０３２８００３－７
表7应用于生化传成领域的一性C占缺路腔 Table72DPCpoint-defeet i field Sensitivity Research type about3×102 Bio-molecule Simulation 40 2.676×10 15 ng/mL Biomacro-molecule Experimen [41 1.4×10 3.35/ml combined with bioin Experimen [42 2.966×10 131.70 nm/RIt Liquid Simulation [43] Biomacro-molecule Simulation [44] Biomacro-molecule Experimen 3.2基于异质结构微腔的二维平板PC传感技术 5×10,灵敏度超过1500nm/R1U.2010年，瑞士 异质结构是指整体或局部结构渐变的PC微腔 洛桑联邦理工学院的Jagersk益等[可提出了一种应 结构。异质结构做腔可通过调节其结构参数，使谐 用于折射率传感器的空气槽P℃异质结构，其Q值 振模电场分量的强度在空间上随距离的变化更加平 达到2.6×10，灵敏度为510nm/RIU,检测极限小 缓，从而减小谐振模在漏模部分的光场分量，有效增 于1×10-5R1U。2014年，法国巴黎萨克雷大学的 强微腔对光场的局域能力[]。2005年.日本京都大 Car等[提出了一种基于异质结构微腔的液体传 学的Sog等首次提出了一种晶格异构的PC微 感器，其Q值为2.5×10，灵敏度为235nm/RIU 腔，通过优化其Q值理论上可以大于2X10。PC 然而，与点缺陷的PC腔相比，基于异质结构的PC 异质结构微腔因其超高品质因子的优势在传感领域 微腔传感器的结构较大，设计较复杂，制作难度也更 吸引了学者的关注，典型研究见表8.2008年，德国 大，其实用性是一大问题 乌尔兹堡大学的KwOn等[分别设计了一种基于 3.3基于慢光波导的二维平板PC传感技术 小引和槽结构的异质结物微腔，其中前者的O值为 利用P℃的慢光效应可以减小光在波导中传播 3.82×10,折射率灵敏度为171nm/RIU:后者的 的群速度，增大光场的能最密度，从而增大光与周围 Q值为1.01×10，折射率灵敏度为360 nm/RIU 物质的相互作用强度，因此常被用于高灵敏度传感 2009年，英国圣安德鲁斯大学的Falco等[a)提出了 器的设计中。近几年，P℃慢光波导在传感领域的典 一种用于化学传感的PC槽异构微腔，其Q值达到 型应用见表9,2010年，西班牙瓦伦西亚理工大学 0328003-8 21994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved http://www.cnki.ne
光 学 学 报 表７ 应用于生化传感领域的二维 ＰＣ点缺陷腔 Ｔａｂｌｅ７ ２ＤＰＣｐｏｉｎｔ－ｄｅｆｅｃｔｃａｖｉｔｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ａｎａｌｙｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［３９］ ａｂｏｕｔ３×１０３ － Ｂｉｏ－ｍｏｌｅｃｕｌｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［４０］ ２．６７６×１０４ １５ｎｇ／ｍＬ Ｂｉｏｍａｃｒｏ－ｍｏｌｅｃｕｌｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［４１］ １．４×１０４ ３．３５ｐｇ／ｍＬ Ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｐｒｏｔｅｉｎｓ ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｂｉｏｔｉｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［４２］ ２．９６６×１０３ １３１．７０ｎｍ／ＲＩＵ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［４３］ － － Ｂｉｏｍａｃｒｏ－ｍｏｌｅｃｕｌｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［４４］ － － Ｂｉｏｍａｃｒｏ－ｍｏｌｅｃｕｌｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ３．２ 基于异质结构微腔的二维平板 ＰＣ传感技术 异质结构是指整体或局部结构渐变的 ＰＣ微腔 结构。异质结构微腔可通过调节其结构参数，使谐 振模电场分量的强度在空间上随距离的变化更加平 缓，从而减小谐振模在漏模部分的光场分量，有效增 强微腔对光场的局域能力［４５］。２００５年，日本京都大 学的Ｓｏｎｇ等［４５］首次提出了一种晶格异构的 ＰＣ 微 腔，通过优化 其 Ｑ 值理论 上 可 以 大 于 ２×１０７。ＰＣ 异质结构微腔因其超高品质因子的优势在传感领域 吸引了学者的关注，典型研究见表８。２００８年，德国 乌尔兹堡大 学 的 Ｋｗｏｎ等［４６］分别设 计 了 一 种 基 于 小孔和槽结构的异质结构微腔，其中前者的 Ｑ值为 ３．８２×１０６，折射率 灵 敏 度 为 １７１ｎｍ／ＲＩＵ；后 者的 Ｑ值为１．０１×１０６，折射率 灵 敏 度 为 ３６０ｎｍ／ＲＩＵ。 ２００９年，英国圣安德鲁斯大学的 Ｆａｌｃｏ等［４７］提出了 一种用于化学传 感 的 ＰＣ 槽 异 构 微 腔，其 Ｑ值达到 ５×１０４，灵敏度 超 过１５００ｎｍ／ＲＩＵ。２０１０年，瑞 士 洛桑联邦 理 工 学 院 的Ｊａ＇ｇｅｒｓｋａ＇等［４８］提出了 一 种 应 用于折射率传感 器 的 空 气 槽 ＰＣ 异 质 结 构，其 Ｑ值 达到２．６×１０４，灵敏度为５１０ｎｍ／ＲＩＵ，检测极限小 于１×１０－５ ＲＩＵ。２０１４年，法国巴黎－萨克雷大学的 Ｃａｒ等［４９］提出了一种基于异质结构微腔的液体传 感器，其 Ｑ 值为２．５×１０４，灵敏度 为 ２３５ｎｍ／ＲＩＵ。 然而，与点缺陷 的 ＰＣ 腔 相 比，基 于 异 质 结 构 的 ＰＣ 微腔传感器的结构较大，设计较复杂，制作难度也更 大，其实用性是一大问题。 ３．３ 基于慢光波导的二维平板 ＰＣ传感技术 利用 ＰＣ的慢光效应可以减小光在波导中传播 的群速度，增大光场的能量密度，从而增大光与周围 物质的相互作用强度，因此常被用于高灵敏度传感 器的设计中。近几年，ＰＣ慢光波导在传感领域的典 型应用见表９。２０１０年，西班牙瓦伦西亚理工大学 ０３２８００３－８
光学 学 。报 表8应用于传感领域的二维PC异质结构微腔 Reference Q Sensitivity /(nm.RIU-)Analyte Research type [45] 6×10 Experiment 3.82×10 [46 1.01×10 171.360 Gas Simulation [47 5×10 150 Liquid Experiment 48 2.6×10 510 Gas Experiment 「49 2.5×10 Liquid Experiment 表9应用于传感领域的二排PC慢光被导 基于二维PC慢光槽波导的片上甲烷传感器或甲烷 Table9 2D PCslow-light waveguide applied in sensing field 传感芯片，在氨气环境中对甲烷浓度的检测极限达 Reference Analyte 1×10.2012年，东北大学的Zhang等提出了 limit type 种基于二维P℃慢光槽波导的高灵敏度气体传感 Bovine 器.其对乙块气体的理论检测极限为10-6.2015年， [50 0.2g serum Experiment Zhang等[5进一步提出了一种液体填充工作频率 albumin 可调的基于二维P℃槽波导的多成分气体检测传感 器，检测极限达到1.56×10-6。此外，还有一些针对 [51] 10-4 Methane Experiment PC慢光波导中光与粒子的相互作用的研究 2015年，英国约克大学的Dholakia等s利用慢光 引导P℃波导上的一系列亚微米介质粒子，通过仿 真和实验验证了粒子速度与P℃波导中慢光群速度 [52 10- Acetylene Simulation 的相关性。2016年，法国的Zang等[利用P℃慢 光波导，研究了原子与光子之间的强相互作用。虽 然上述研究不针对具体的传感应用，但其对P℃传 53 56X 10-Gas Simulation 感领域的研究具有重要借鉴意义。总之，P℃慢光波 导由于其特殊的控光特性，在生化传感、粒子操控及 的Garcia-Ruperez等[s]提出了一种利用PC波导边 光器件、光信息处理等领域都具有很大的应用潜力。 带慢光效应的无标签抗体传感器，仿真得到的折 3. 基于导模谐振的二维平板PC传感技术 素灵敏度达到174.8nm/RU,在对牛血清蛋白的 利用导模谐振设计微腔实现传感是二维平板 实验检测中，其质量探测极限低于0.2：。将二维 PC的另一种应用。与PC平面内的谐振模式相比， PC慢光波导与槽波导结合，可以进一步增强光物相 导模谐振不仅可以将光从平板PC的平面内引导到 互作用，从而提高传感器的灵敏度。2011年，美国 周围环境中，从而增强光物之间的相互作用，而且 德克萨斯大学奥斯汀分校的Lai等提出了一种 易于激发出高的Q值，因而可用于高灵敏度低探 0328003-9 1994-2018 China Academic Journal Eleetronic Publishing House.All rights reserved. http://www enkinet
光 学 学 报 表８ 应用于传感领域的二维 ＰＣ异质结构微腔 Ｔａｂｌｅ８ ２ＤＰＣｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｖｉｔｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ／（ｎｍ·ＲＩＵ－１） Ａｎａｌｙｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［４５］ ６×１０５ － － Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［４６］ ３．８２×１０６ － １．０１×１０６ １７１，３６０ Ｇａｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［４７］ ５×１０４ １５０ Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［４８］ ２．６×１０４ ５１０ Ｇａｓ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［４９］ ２．５×１０４ ２３５ Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 表９ 应用于传感领域的二维 ＰＣ慢光波导 Ｔａｂｌｅ９ ２ＤＰＣｓｌｏｗ－ｌｉｇｈｔｗａｖｅｇｕｉｄｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ Ａｎａｌｙｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｙｐｅ ［５０］ ０．２ｆｇ Ｂｏｖｉｎｅ ｓｅｒｕｍ ａｌｂｕｍｉｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［５１］ １０－４ ＭｅｔｈａｎｅＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［５２］ １０－６ ＡｃｅｔｙｌｅｎｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［５３］ １．５６×１０－６ Ｇａｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 的 Ｇａｒｃíａ－Ｒｕｐéｒｅｚ等［５０］提出了一种利用ＰＣ波导边 带慢光效应的无标签抗体传感器，仿真得到的折射 率灵敏度达 到 １７４．８ｎｍ／ＲＩＵ，在对牛血清蛋白的 实验检测中，其 质 量 探 测 极 限 低 于０．２ｆｇ。将 二维 ＰＣ慢光波导与槽波导结合，可以进一步增强光物相 互作 用，从而提高传感器的灵敏度。２０１１年，美 国 德克萨 斯 大 学 奥 斯 汀 分 校 的 Ｌａｉ等［５１］提出了 一 种 基于二维 ＰＣ慢光槽波导的片上甲烷传感器或甲烷 传感芯片，在氮气环境中对甲烷浓度的检测极限达 １×１０－４。２０１２年，东北大学的 Ｚｈａｎｇ等［５２］提出了 一种基于二维 ＰＣ慢光槽波导的高灵敏度气体传感 器，其对乙炔气体的理论检测极限为１０－６。２０１５年， Ｚｈａｎｇ等［５３］进一步 提 出 了 一 种 液 体 填 充 工 作 频 率 可调的基于二维 ＰＣ槽波导的多成分气体检测传感 器，检测极限达到１．５６×１０－６。此外，还有一些针对 ＰＣ 慢 光 波 导 中 光 与 粒 子 的 相 互 作 用 的 研 究。 ２０１５年，英 国约 克 大 学 的 Ｄｈｏｌａｋｉａ等［５４］利用慢 光 引导 ＰＣ波导上的一系列亚微米介质粒子，通 过 仿 真和实验验证了粒子速度与 ＰＣ波导中慢光群速度 的相关性。２０１６年，法 国的 Ｚａｎｇ等［５５］利用 ＰＣ 慢 光波导，研究了原子与光子之间的强相互作用。虽 然上述研究不 针 对 具 体 的 传 感 应 用，但 其 对 ＰＣ 传 感领域的研究具有重要借鉴意义。总之，ＰＣ慢光波 导由于其特殊的控光特性，在生化传感、粒子操控及 光器件、光信息处理等领域都具有很大的应用潜力。 ３．４ 基于导模谐振的二维平板 ＰＣ传感技术 利用导模谐振设计微腔实现传感是二维平板 ＰＣ的另一种应用。与 ＰＣ平面内的谐振模式相比， 导模谐振不仅可以将光从平板 ＰＣ的平面内引导到 周围环境中，从 而 增 强 光 物 之 间 的 相 互 作 用，而 且 易于激发 出 高 的 Ｑ值，因而可用于高灵敏 度 低 探 ０３２８００３－９
测极限传感器的设计中。导模谐振二维平板 振垂直入射的方法，实现了检测极限达1.3 PC在传感中的典型应用见表10.2010年，加拿 10-6R几U的光流体折射率传感器。美国德克萨斯 大多伦多大学的Beheiry等[们研究了对称结构与 大学阿灵顿分校的Liu等[©]发现，通过调整自由空 非对称结构，以及TE模与横磁(TM)模对导模诺 间入射光源与二维PC平板法线方向的夹角，可以 振PC平板折射率传感性能的影响，仿真获得了最 激发出高Q因子单简并模式，并在实验中获得了 高902nm/RIU的灵敏度，以及约10-RIU的探测 3×10-3RIU的超低探测极限。由上述分析可见 极限。2013年，Nic 山等通过调整部分孔的 由于具有有效的光物反应和高聚光性能，基于导模 小使耦合光轻微扰动暗模，极大降低了纳米制作的 谐振结构的二维平板P℃传感器在实现高灵敏度和 精确度要求，实验获得了超过800nm/RIU的灵嫩 低探测极限传感方面具有优势。此外，其还具有设 度以及最低16×10-的探测极限。2017年.美国 计简单，容易实现的特点，因此在传感领域且有良好 奥斯汀大学惠灵颜分校的Wag等[)利用法诺 的应用前景。 表10应用于传感领域的导模谐振二锥平板P℃结构 Table 10 2D slab PC structure with guided-mode resonance applied in sensing field Reference Structure Q Analyte Research type [57] .1761×10 10- Simulation [58J 1.06×10 >800 1.6×10- Liquid 591 5.5×10 1.3×10- Liquid Experiment [60] 1.8×10 94.5 3×10- Liquid Experiment 4集成结构P℃传感关键技术及性能 无关的光波模式，或通过优化增大谐振模式的自由 频谱范围(FSR)等。正是由于集成结构PC传感器 除了基于单一传感单元的一维纳米束PC传感 设计的灵活性、应用的广泛性和可实现功能的多样 器和二维平板PC传感器，基于多个传感单元集成 性等优点，其在高集成、芯片式及多功能传感等领域 结构的PC传感技术近年米也得到了快速发展。相 展现出巨大的应用前景。 较于单传感单元的传感器，多传感单元的传感器可 4.1基于一维纳米束PC集成结构的微纳传感技术 实现更复杂的功能，如通过额外设置对比腔或通道 基于边腔祸合式集成结构的一维纳未束P 以消除温度等环境噪声的干扰等：还可提高集成度， 传感技术 加可将多个传成单元与单个或多个硅波导成一维 对一维纳米束PC而言，边腔耦合式的集成结 PC的WI波导进行耦合以复用等。复用的传感器 构主要是多个纳米束腔通过边腔耦合的方式与主 在设计时需要考虑彼此间的相互影响，通常的处理 硅波导进行耦合。在传感中，光源从波导的一端 方法主要有两种：一种是在空间上使不同的传感单 入射，他播的过程中不同频段的光深一合到缺 元或区域的间隔足够大，如通过多路并联等；另 米束微腔中，最终在波导未端的透射谱中，通过观 是在频域上使各传感单元微腔的诺振波长在频谱上 测各个下坠峰在待测参量变化下的偏移从而实现传 的间隔足够大，如酒过波波器滤除谐振腔中与传感 感2008年，美国康奈尔大学Mandal等[1)提出并 0328003-10 1994-2018 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
光 学 学 报 测极限 传 感 器 的 设 计 中［５６］。导 模 谐 振 二 维 平 板 ＰＣ在传感中的典型应用见表 １０。２０１０ 年，加 拿 大多伦多 大 学 的 Ｂｅｈｅｉｒｙ等［５７］研 究 了 对 称 结 构 与 非对称结构，以 及 ＴＥ 模 与 横 磁（ＴＭ）模 对 导 模 谐 振 ＰＣ平板折射 率 传 感 性 能 的 影 响，仿真获得了最 高９０２ｎｍ／ＲＩＵ 的灵敏度，以及约１０－６ ＲＩＵ 的探测 极限。２０１３年，Ｎｉｃｏｌａｏｕ等［５８］通过调整部分孔的大 小使耦合光轻微扰动暗模，极大降低了纳米制作的 精确度要 求，实 验 获 得 了 超 过８００ｎｍ／ＲＩＵ的 灵敏 度以及最低１．６×１０－７的探测 极 限。２０１７年，美 国 奥斯汀大学 惠 灵 顿 分 校 的 Ｗａｎｇ等［５９］利用法 诺 谐 振垂 直 入 射 的 方 法，实 现 了 检 测 极 限 达 １．３× １０－６ ＲＩＵ的光流 体 折 射 率 传 感 器。美 国 德 克 萨 斯 大学阿灵顿分校的 Ｌｉｕ等［６０］发现，通过调整自由空 间入射光源与 二 维 ＰＣ 平板法线方向的夹角，可 以 激发 出 高 Ｑ 因子单简并模式，并在实验中获得了 ３×１０－５ ＲＩＵ的超低 探 测 极 限。由上述分析可见， 由于具有有效的光物反应和高聚光性能，基于导模 谐振结构的二维平板 ＰＣ传感器在实现高灵敏度和 低探测极限传感方面具有优势。此外，其还具有设 计简单、容易实现的特点，因此在传感领域具有良好 的应用前景。 表１０ 应用于传感领域的导模谐振二维平板 ＰＣ结构 Ｔａｂｌｅ１０ ２ＤｓｌａｂＰＣｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｇｕｉｄｅｄ－ｍｏｄｅｒｅｓｏｎａｎｃｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ／（ｎｍ·ＲＩＵ－１） Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｌｉｍｉｔ／ＲＩＵ Ａｎａｌｙｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［５７］ ７．１７６１×１０４ ９０２ １０－６ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［５８］ １．０６×１０４ ＞８００ １．６×１０－７ Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［５９］ ５．５×１０３ ２９８ １．３×１０－６ Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［６０］ １．８×１０４ ９４．５ ３×１０－６ Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ４ 集成结构ＰＣ传感关键技术及性能 除了基于单一传感单元的一维纳米束 ＰＣ传感 器和二维平板 ＰＣ 传 感 器，基 于 多 个 传 感 单 元 集 成 结构的 ＰＣ传感技术近年来也得到了快速发展。相 较于单传感单元的传感器，多传感单元的传感器可 实现更复杂的功能，如通过额外设置对比腔或通道 以消除温度等环境噪声的干扰等；还可提高集成度， 如可将多个传感单元与单个或多个硅波导或二维 ＰＣ的 Ｗ１波导进行耦合以复用等。复用的 传 感 器 在设计时需要考虑彼此间的相互影响，通常的处理 方法主要有两种：一种是在空间上使不同的传感单 元或区域的间隔足够大，如通过多路并联等；另一种 是在频域上使各传感单元微腔的谐振波长在频谱上 的间隔足够大，如通过滤波器滤除谐振腔中与传感 无关的光波模式，或通过优化增大谐振模式的自由 频谱范围（ＦＳＲ）等。正是由于集成结构 ＰＣ传感器 设计的灵活性、应用的广泛性和可实现功能的多样 性等优点，其在高集成、芯片式及多功能传感等领域 展现出巨大的应用前景。 ４．１ 基于一维纳米束ＰＣ集成结构的微纳传感技术 ４．１．１ 基于边腔耦合式集成结构的一维纳米束 ＰＣ 传感技术 对一维纳米束 ＰＣ而 言，边腔耦合式的集成结 构主要是多个纳米 束 腔 通 过 边 腔 耦 合 的 方 式 与 主 硅波导 进 行 耦 合。在 传 感 中，光 源 从 波 导 的 一 端 入射，传播的过程中不同频段的光逐一耦合到纳 米束微腔中，最终在波导末端的透射谱中，通 过 观 测各个下坠峰在待测参量变化下的偏移从而实现传 感。２００８年，美国康奈尔大学 Ｍａｎｄａｌ等［６１］提出并 ０３２８００３－１０